Modos de operação de geradores síncronos, características operacionais de geradores

As principais grandezas que caracterizam o gerador síncrono são: tensão terminal U, carregamento I, potência aparente P (kVa), rotações do rotor por minuto n, fator de potência cos φ.

As características mais importantes do gerador síncrono são as seguintes:

• característica ociosa,

• característica externa,

• característica reguladora.

Característica sem carga de um gerador síncrono

A força eletromotriz do gerador é proporcional à magnitude do fluxo magnético Ф criado pela corrente de excitação iv e o número de revoluções n rotor do gerador por minuto:

E = cnF,

onde s — fator de proporcionalidade.

Embora a magnitude da força eletromotriz de um gerador síncrono dependa do número de rotações do rotor, é impossível ajustá-la alterando a velocidade de rotação do rotor, pois a frequência da força eletromotriz está relacionada ao número de rotações. rotações do rotor do gerador, que deve ser mantida constante.

Portanto, resta a única maneira de ajustar a magnitude da força eletromotriz de um gerador síncrono - esta é uma mudança no fluxo magnético principal F. Este último geralmente é obtido ajustando a corrente de excitação iw usando um reostato introduzido no circuito de excitação do gerador. Caso a bobina de excitação seja alimentada com corrente de um gerador de corrente contínua localizado no mesmo eixo deste gerador síncrono, a corrente de excitação do gerador síncrono é ajustada alterando a tensão nos terminais do gerador de corrente contínua.

A dependência da força eletromotriz E do gerador síncrono na corrente de excitação iw a uma velocidade nominal constante do rotor (n = const) e uma carga igual a zero (1 = 0) é chamada de característica de marcha lenta do gerador.

A Figura 1 mostra a característica sem carga do gerador. Aqui, o ramo ascendente 1 da curva é removido à medida que a corrente iv aumenta de zero para ivm, e o ramo descendente 2 da curva - quando iv muda de ivm para iv = 0.

Arroz. 1. Característica ociosa de um gerador síncrono

A divergência entre os ramos ascendente 1 e descendente 2 é explicada pelo magnetismo residual. Quanto maior a área delimitada por esses ramos, maiores serão as perdas de energia no aço do gerador síncrono de reversão de magnetização.

A inclinação da subida da curva de marcha lenta em sua seção reta inicial caracteriza o circuito magnético do gerador síncrono. Quanto menor a taxa de fluxo de amperagem nos entreferros do gerador, mais íngreme será a característica de marcha lenta do gerador, sob outras condições.

Características externas do gerador

A tensão terminal de um gerador síncrono carregado depende da força eletromotriz E do gerador, da queda de tensão na resistência ativa de seu enrolamento do estator, da queda de tensão devido à força eletromotriz de auto-indução de dissipação Es e da queda de tensão devido à reação da armadura.

Sabe-se que a força eletromotriz dissipativa Es depende do fluxo magnético dissipativo Fc, que não penetra nos polos magnéticos do rotor do gerador e, portanto, não altera o grau de magnetização do gerador. A força eletromotriz de auto-indução dissipativa Es do gerador é relativamente pequena e, portanto, pode ser praticamente desprezada. Assim, aquela parte da força eletromotriz do gerador que compensa a força eletromotriz de auto-indução dissipativa Es pode ser considerada praticamente igual a zero .

A resposta da armadura tem um efeito mais perceptível no modo de operação do gerador síncrono e, em particular, na tensão em seus terminais. O grau dessa influência depende não apenas do tamanho da carga do gerador, mas também da natureza da carga.

Vamos primeiro considerar o efeito da reação de armadura de um gerador síncrono para o caso em que a carga do gerador é puramente ativa. Para isso, tomamos parte do circuito de um gerador síncrono de trabalho mostrado na fig. 2, a. Aqui é mostrada uma parte do estator com um fio ativo no enrolamento da armadura e uma parte do rotor com vários de seus pólos magnéticos.

Arroz. 2. Influência da reação da armadura sob cargas: a — ativa, b — indutiva, c — natureza capacitiva

No momento em questão, o pólo norte de um dos eletroímãs girando no sentido anti-horário com o rotor apenas passa sob o fio ativo do enrolamento do estator.

A força eletromotriz induzida neste fio é direcionada para nós atrás do plano do desenho. E como a carga do gerador é puramente ativa, a corrente Iz do enrolamento da armadura está em fase com a força eletromotriz. Portanto, no condutor ativo do enrolamento do estator, a corrente flui em nossa direção devido ao plano do desenho.

As linhas do campo magnético criadas pelos eletroímãs são mostradas aqui em linhas sólidas, e as linhas do campo magnético criadas pela corrente do fio do enrolamento da armadura são mostradas aqui. - uma linha pontilhada.

Abaixo na fig. 2, a mostra um diagrama vetorial da indução magnética do campo magnético resultante localizado acima do pólo norte do eletroímã. Aqui vemos que a indução magnética V do campo magnético principal criado pelo eletroímã tem uma direção radial, e a indução magnética VI do campo magnético da corrente do enrolamento da armadura é direcionada para a direita e perpendicular ao vetor V.

A indução magnética resultante O corte é direcionado para cima e para a direita. Isso significa que alguma distorção do campo magnético subjacente ocorreu como resultado da adição dos campos magnéticos. À esquerda do Pólo Norte enfraqueceu um pouco e à direita aumentou um pouco.

É fácil ver que a componente radial do vetor de indução magnética resultante, da qual depende essencialmente a magnitude da força eletromotriz induzida do gerador, não mudou. Portanto, a reação da armadura sob uma carga puramente ativa do gerador não afeta a magnitude da força eletromotriz do gerador.Isso significa que a queda de tensão no gerador com uma carga puramente ativa é devida apenas à queda de tensão na resistência ativa do gerador, se negligenciarmos a força eletromotriz de auto-indução de vazamento.

Vamos supor agora que a carga em um gerador síncrono é puramente indutiva. Nesse caso, a corrente Az fica atrás da força eletromotriz E por um ângulo de π / 2... Isso significa que a corrente máxima aparece no condutor um pouco depois da força eletromotriz máxima. Portanto, quando a corrente no fio do enrolamento da armadura atingir seu valor máximo, o pólo norte N não estará mais sob esse fio, mas se moverá um pouco mais no sentido de rotação do rotor, conforme mostra a Fig. 2, b.

Nesse caso, as linhas magnéticas (linhas pontilhadas) do fluxo magnético do enrolamento da armadura são fechadas através de dois pólos opostos adjacentes N e S e são direcionadas para as linhas magnéticas do campo magnético principal do gerador criado pelos pólos magnéticos. Isso leva ao fato de que o caminho magnético principal não é apenas distorcido, mas também se torna um pouco mais fraco.

Na fig. 2.6 mostra um diagrama vetorial das induções magnéticas: o campo magnético principal B, o campo magnético devido à reação da armadura Vi e o campo magnético resultante Vres.

Aqui vemos que o componente radial da indução magnética do campo magnético resultante tornou-se menor que a indução magnética B do campo magnético principal no valor ΔV. Portanto, a força eletromotriz induzida também é reduzida porque é devido ao componente radial da indução magnética.Isso significa que a tensão nos terminais do gerador, outras coisas sendo iguais, será menor que a tensão em uma carga de gerador puramente ativa.

Se o gerador tiver uma carga puramente capacitiva, a corrente nele leva a fase da força eletromotriz por um ângulo de π / 2... A corrente nos fios do enrolamento da armadura do gerador agora atinge um máximo antes do eletromotriz força E. Portanto, quando a corrente no fio do enrolamento da âncora (Fig. 2, c) atingir seu valor máximo, o pólo norte de N ainda não acomodará esse fio.

Nesse caso, as linhas magnéticas (linhas pontilhadas) do fluxo magnético do enrolamento da armadura são fechadas através de dois pólos opostos adjacentes N e S e são direcionadas ao longo do caminho com as linhas magnéticas do campo magnético principal do gerador. Isso leva ao fato de que o campo magnético principal do gerador não é apenas distorcido, mas também um pouco amplificado.

Na fig. 2, c mostra o diagrama vetorial da indução magnética: o campo magnético principal V, o campo magnético devido à reação da armadura Vya e o campo magnético resultante Bres. Vemos que o componente radial da indução magnética do campo magnético resultante tornou-se maior que a indução magnética B do campo magnético principal na quantidade ΔB. Portanto, a força eletromotriz indutiva do gerador também aumentou, o que significa que a tensão nos terminais do gerador, todas as outras condições sendo as mesmas, se tornará maior do que a tensão em uma carga de gerador puramente indutiva.

Tendo estabelecido a influência da reação da armadura na força eletromotriz de um gerador síncrono para cargas de natureza diferente, passamos a esclarecer as características externas do gerador.A característica externa de um gerador síncrono é a dependência da tensão U em seus terminais com a carga I em velocidade constante do rotor (n = const), corrente de excitação constante (iv = const) e a constância do fator de potência (cos φ = const).

Na fig. 3 são dadas as características externas de um gerador síncrono para cargas de diferentes naturezas. A curva 1 expressa a característica externa sob carga ativa (cos φ = 1,0). Nesse caso, a tensão do terminal do gerador cai quando a carga passa de inativa para nominal dentro de 10 a 20% da tensão do gerador sem carga.

A curva 2 expressa a característica externa com uma carga resistiva-indutiva (cos φ = 0, oito). Nesse caso, a tensão nos terminais do gerador cai mais rapidamente devido ao efeito desmagnetizador da reação da armadura. Quando a carga do gerador muda de sem carga para nominal, a tensão cai para 20 a 30% da tensão sem carga.

A curva 3 expressa a característica externa do gerador síncrono em uma carga ativo-capacitiva (cos φ = 0,8). Neste caso, a tensão terminal do gerador aumenta um pouco devido à ação magnetizante da reação da armadura.

Arroz. 3. Características externas do alternador para diferentes cargas: 1 — ativo, 2 — indutivo, 3 capacitivo

Características de controle de um gerador síncrono

A característica de controle de um gerador síncrono expressa a dependência da corrente de campo i no gerador da carga I com um valor efetivo constante da tensão nos terminais do gerador (U = const), um número constante de rotações do rotor do gerador por minuto (n = const) e a constância do fator da potência (cos φ = const).

Na fig.4 três características de controle de um gerador síncrono são dadas. A curva 1 refere-se ao caso de carga ativa (porque φ = 1).

Arroz. 4. Características de controle do alternador para diferentes cargas: 1 — ativo, 2 — indutivo, 3 — capacitivo

Aqui vemos que conforme a carga I no gerador aumenta, a corrente de excitação aumenta. Isso é compreensível, porque com o aumento da carga I, a queda de tensão na resistência ativa do enrolamento da armadura do gerador aumenta e é necessário aumentar a força eletromotriz E do gerador aumentando a corrente de excitação iv. Para manter a tensão constante U .

A curva 2 refere-se ao caso de uma carga ativo-indutiva em cos φ = 0,8... tensão U nos terminais do gerador.

A curva 3 refere-se ao caso de uma carga ativo-capacitiva em cos φ = 0,8. Essa curva mostra que, à medida que a carga no gerador aumenta, menos corrente de excitação i é necessária no gerador para manter uma tensão constante em seus terminais. Isso é compreensível, pois neste caso a reação da armadura aumenta o fluxo magnético principal e, portanto, contribui para o aumento da força eletromotriz do gerador e da tensão em seus terminais.